中科大新型传感器技术与应用课件09数字式传感器

感应同步器10.1编码器10.2频率式传感器10.3第九章数字式传感器

随着微型计算机的迅速发展和广泛应用，信号的检测、控制和处理已进入数字化时代。通常采用模拟式传感器获取模拟信号，利用A/D转换器将信号转换成数字信号，再用微机和其他数字设备处理进行处理，这种方法简便亦行，但系统的构成也很复杂。数字式传感器就是为了解决这些问题而出现的，它能把被测模拟量直接转换成数字信号输出。目前，常用的数字式传感器有四大类：(1)栅式数字传感器；(2)编码器；(3)频率/数字输出式数字传感器；(4)感应同步器式的数字传感器。数字式传感器:能把被测（模拟）量直接转换成数字量输出的传感器数字式传感器具有下列特点：1.具有高的测量精度和分辨率，测量范围大；2.抗干扰能力强，稳定性好；3.信号易于处理、传送和自动控制；4.便于动态及多路测量，读数直观；5.安装方便，维护简单，工作可靠性高。

感应同步器是应用电磁感应原理把位移量转换成数字量的传感器。感应同步器是一种多极感应元件，由于多极结构对误差起补偿作用，所以用感应同步器来测量位移具有精度高、工作可靠、抗干扰能力强、寿命长、接长便利等优点。第一节感应同步器

1.直线式感应同步器的结构直线式感应同步器的定尺和滑尺.

定尺安装在静止的机械设备上，与导轨母线平行；

滑尺安装在活动的机械部件上，与定尺之间保持均匀的狭小气隙。

滑尺相对定尺而移动。

图直线式感应同步器外形

直线式感应同步器定尺和滑尺的基板采用铸铁或其他钢材做成。这些钢材的线膨胀系数应与安装感应同步器的床身的线膨胀系数相近，以减小温度误差。

图定尺和滑尺绕组结构（a）

定尺绕组；

（b）

滑尺绕组

在定尺和滑尺上腐蚀成印制电路绕组，

绕组的材料为铜。

考虑到接长的要求和安装的方便，

将定尺绕组做成连续式，

由一连串线圈串联而成；

而将滑尺绕组做成分段式，

并分别为正弦绕组（S绕组）和余弦绕组（C绕组），

它们在空间位置上错开而形成90°相位差，

2.直线式感应同步器的种类

根据不同的运行方式、精度要求、测量范围、安装条件等，直线式感应同步器可设计成各种不同的尺寸、形状和种类。（1）标准型：标准型直线感应同步器精度高，应用最普遍，每根定尺长250mm。如果测量长度超过175mm时，可将几根定尺接起来使用，甚至可连接长达十几米，但必须保持安装平整，否则极易损坏。（2）

窄型：

窄型直线同步感应器中定尺、

滑尺长度与标准型相同，

仅是定尺宽度为标准型的一半。

用于安装尺寸受限制的设备，

精度稍低于标准型。

（3）带型：定尺的基板改用钢带，滑尺做成滑标式，直接套在定尺上。安装表面不用加工。使用时只需将钢带两头固定即可。（4）

三重型：

在一根定尺上有粗、

中、

精三种绕组，

以便构成绝对坐标系统。

5.3.2感应同步器的工作原理

感应同步器利用定尺和滑尺的两个平面印刷电路绕组的互感随其相对位置变化的原理，

将位移转换为电信号。

感应同步器工作时，

定尺和滑尺相互平行、

相对放置，

它们之间保持一定的气隙（0.25±0.005）mm，

定尺固定，

滑尺可动。

当滑尺的S和C绕组分别通过一定的正、

余弦电压激励时，

定尺绕组中就会有感应电势产生，

其值是定、

滑尺相对位置的函数。

如图所示，

先考虑对S绕组单独励磁，

滑尺处在A点的位置时，

滑尺S绕组与定尺某一绕组重合，

定尺感应电动势值最大；

当滑尺向右移动W/4距离到达B点的位置时，

定尺感应电动势为零；

当滑尺移过W/2至C点位置时，

定尺感应电动势为负的最大值；

当移过3W/4至D点的位置时，

定尺感应电动势又为零，

其感应电动势如图10-7中曲线1所示。

同理，

余弦绕组单独励磁时，

定尺感应电动势变化如曲线2所示。

定尺上产生的总的感应电动势是正弦、

余弦绕组分别励磁时产生的感应电动势之和。

5.3.3感应同步器的信号处理方式1.鉴相型给滑尺的S和C绕组以等频、等幅、相位差为90°的电压分别激磁，就可根据感应电势的相位来鉴别位移量。若定尺节距为W（标准为2mm），机械位移x引起的电相角变化为，其总感应电动势e与两尺的相对位移x关系为（5-3）

上式表明感应同步器定尺的输出感应电动势和感应同步器定滑尺间相对机械位移角的函数关系。

2.鉴幅型如果给滑尺的正、余弦绕组以同频、

同相但不等幅的电压激磁时，

则可根据感应电势的幅值来鉴别位移量，称为鉴幅型。

正、余弦同时激磁时的总感应电势为

（5-4）

式中，φ为给定电角度；位移;感应电势的幅值为kωUmcos(φ-θ)，即幅值与x有关。三、感应同步器的特点感应同步器可用于大量程的线位移和角位移的静态和动态测量。在数控机床、加工中心及某些专用测试仪器中常用它作为测量元件。与光栅传感器相比，它抗干扰能力强，对环境要求低，机械结构简单，接长方便。目前在测长时误差约为±1μm/250mm，测角时误差约为±0.5”。编码器以其高精度。高分辨率和高可靠性而被广泛用于各种位移测量。编码器按结构形式有直线式编码器和旋转式编码器之分。由于旋转式光电编码器是用于角位移测量的最有效和最直接的数字式传感器，并已有各种系列产品可供选用，故本节着重讨论旋转式光电编码器。第二节编码器光学编码器

将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电信号，这类传感器称为编码器。编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量。编码器的种类很多，主要分为脉冲盘式（增量编码器）和码盘式编码器（绝对编码器），其关系如下所示：编码器脉冲盘式编码器(增量编码器)码盘式编码器(绝对编码器)接触式编码器电磁式编码器光电式编码器

脉冲盘式编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲进行加减(正向或反向旋转时)累计计数，一般还需要一个基准数据即零位基准，才能完成角位移测量。绝对编码器不需要基准数据及计数系统，它在任意位置都可给出与位置相对应的固定数字码输出，能方便地与数字系统（如微机）连接。编码器按其结构形式有接触式、光电式、电磁式等，后两种为非接触式编码器。非接触式编码器具有非接触、体积小和寿命长，且分辨率高的特点。三种编码器相比较，光电式编码器的性价比最高，它作为精密位移传感器在自动测量和自动控制技术中得到了广泛的应用。目前我国已有23位光电编码器，为科学研究、军事、航天和工业生产提供了对位移量进行精密检测的手段。光电式编码器

光电式编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、窄缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。基本结构如图13-6所示。图13-6光电式编码器示意图码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道，每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗区。码盘构造如图13-7所示，它是一个6位二进制码盘。当光源将光投射在码盘上时，转动码盘，通过亮区的光线经窄缝后，由光敏元件接收。光敏元件的排列与码道一一对应，对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“1”，后者为“0”。当码盘旋至不同位置时，光敏元件输出信号的组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。图码盘构造

编码器码盘按其所用码制可分为二进制码、十进制码、循环码等。对于图13-7所示的6位二进制码盘，最内圈码盘一半透光，一半不透光，最外圈一共分成26=64个黑白间隔。每一个角度方位对应于不同的编码。例如零位对应于000000（全黑）；第23个方位对应于010111。这样在测量时，只要根据码盘的起始和终止位置，就可以确定角位移，而与转动的中间过程无关。一个n位二进制码盘的最小分辨率，即能分辨的角度为α=360°/2n，一个6位二进制码盘，其最小分辨的角度α≈5.6°。码盘构造采用二进制编码器时，任何微小的制作误差，都可能造成读数的粗误差。这主要是因为二进制码当某一较高的数码改变时，所有比它低的各位数码均需同时改变。如果由于刻划误差等原因，某一较高位提前或延后改变，就会造成粗误差。为了消除粗误差，可用循环码代替二进制码。表13-1给出了四位二进制码与循环码的对照表。表13-1四位二进制码与循环码对照表

从表中看出，循环码是一种无权码，从任何数变到相邻数时，仅有一位数码发生变化。如果任一码道刻划有误差，只要误差不太大，且只可能有一个码道出现读数误差，产生的误差最多等于最低位的一个比特。所以只要适当限制各码道的制造误差和安装误差，都不会产生粗误差。由于这一原因使得循环码码盘获得了广泛的应用。图13-86位循环码码盘图13-8所示的是一个6位的循环码码盘。对于n位循环码码盘，与二进制码一样，具有2n种不同编码，最小分辨率α=360°/2n。大多数编码器都是单盘的，全部码道则在一个圆盘上。但如要求有很高的分辨率时，码盘制作困难，圆盘直径增大，而且精度也难以达到。如要达到1″左右的分辨率，至少采用20位的码盘。对于一个刻划直径为400mm的20位码盘，其外圈分划间隔不到1.2μm，可见码盘的制作不是一件易事，而且光线经过这么窄的狭缝会产生光的衍射。这时可采用双盘编码器，它的特点是由两个分辨率较低的码盘组合成为高分辨率的编码器。磁编码器磁编码器是近几年发展起来的新型传感器。它主要由磁鼓与磁阻探头组成，它的构成如图13-9所示。磁编码器的基本结构多极磁鼓常用的有两种：一种是塑磁磁鼓，在磁性材料中混入适当的粘合剂，注塑成形；另一种是在铝鼓外面覆盖一层粘结磁性材料而制成。多极磁鼓产生的空间磁场由磁鼓的大小和磁层厚度决定，磁阻探头由磁阻元件通过微细加工技术而制成，磁阻元件电阻值仅和电流方向成直角的磁场有关，而与电流平行的磁场无关。电磁式编码器的码盘上按照一定的编码图形，做成磁化区（导磁率高）和非磁化区（导磁率低），采用小型磁环或微型马蹄形磁芯作磁头，磁环或磁头紧靠码盘，但又不与码盘表面接触。每个磁头上绕两组绕组，原边绕组用恒幅恒频的正弦信号激励，副边绕组用作输出信号，副边绕组感应码盘上的磁化信号转化为电信号，其感应电势与两绕组匝数比和整个磁路的磁导有关。当磁头对准磁化区时，磁路饱和，输出电压很低，如磁头对准非磁化区，它就类似于变压器，输出电压会很高，因此可以区分状态“1”和“0”。几个磁头同时输出，就形成了数码。

电磁式编码器由于精度高，寿命长，工作可靠，对环境条件要求较低，但成本较高。在前几节介绍的四种测量位移的数字式传感器中，除了绝对编码器能将位移量直接转换成数字量外，其余几种都是将位移量转换成一系列计数脉冲，再由计数系统所计的脉冲个数来反映被测量的值。本节介绍的数字式传感器，其输出虽然也是一系列脉冲，但与被测量对应的是脉冲的频率。这种能把被测量转换成与之相对应且便于处理的频率输出的传感器，即为频率式传感器。前述用增量编码器作转速测量时，其编码器的输出是与转速成正比的脉冲频率，这实际上就是一种频率式传感器。第四节频率式传感器一、RC频率式传感器利用热敏电阻把温度变化转换成频率信号的方法是RC频率式传感器的一例。热敏电阻作为RC振荡器的一部分。基本电路如图10－30所示。RC振荡器的振荡频率由下式决定二、石英晶体频率式传感器利用石英晶体的谐振特性，可以组成石英晶体频率式传感器。石英晶体本身有其固有的振动频率，当强迫振动频率与它的固有振动频率相同时，就会产生谐振。如果石英晶体谐振器作为振荡器或滤波器时，往往要求它有较高的温度稳定性；而当石英晶体用作温度测量时，则要求它有大的频率温度系数。因此，它的切割方向（切型）不同于用作振荡器或滤波器的石英晶体。

当温度在－80℃～＋250℃范围时，石英晶体的温度与频率的关系可表示为

（10－18）

式中f0——t＝0℃时的固有频率；

a，b，c——频率温度系数。

可以选择一特定切型的石英晶体，使得式（10－18）中的系数b和c趋于零。这样切型的晶体具有良好的线性频温系数，其非线性仅相当于10－3数量级的温度变化。晶体的固有谐振频率取决于晶体切片的面积和厚度。在石英晶体频率式温度传感器中，根据温度每变化1度振荡频率变化若干赫兹的要求，以及晶体的频温系数，可确定振荡电路的基频。三、弹性振体频率式传感器管、弦、钟、鼓等乐器利用谐振原理而可奏乐，这早已为人们所熟知。而把振弦、振筒、振梁和振膜等弹性振体的谐振特性成功地用于传感器技术，这却是近几十年的事。弹性振体频率式传感器就是应用振弦、振筒、振梁和振膜等弹性振体的固有振动频率（自振谐振频率）来测量有关参数的。

只要被测量与其中某一物理参数有相应的变化关系，我们就可通过测量振弦、振筒、振梁和振膜等弹性振体固有振动频率来达到测量被测参数的目的。这种传感器的最大优点是性能十分稳定

1．振弦式频率传感器

传感器的敏感元件是一根被预先拉紧的金属丝弦1。它被置于激振器所产生的磁场里，两端均固定在传感器受力部件3的两个支架2上．且平行于受力部件。当堂力部件3受到外载荷后，将产生微小的挠曲，致使支架2产生相对倾角，从而松弛或拉紧了振弦，振弦的内应力发生变化，使振弦的振动频率相应地变化。振弦的自振频率f0取决于它的长度l、材料密度ρ和内应力σ，可用下式表示：图10－33所示为某一振弦式传感器的输出－输人特性。由图可知，为了得到线性的输出，可在该曲线中选取近似直线的一段。当σ在σ1至σ2之间变化时，钢弦的振动频率为1000～2000Hz或更高一些，其非线性误差小于l％。为了使传感器有一定的初始频率，对钢弦要预加一定的初始内应力σ0。图10－35所示为差动振弦式力传感器。它在圆形弹性膜片7的上下两侧安装了两根长度相等的振弦1、5，它们被固定在支座2上，并在安装时加上一定的预紧力。在没有外力作用时，上、下两根振弦所受的张力相同，振动频率亦相同，两频率信号经混频器12混频后的差频信号为零。当有外力垂直作用于柱体4时，弹性膜片向下弯曲。上侧振弦5的张力减小，振动频率减低；下侧振弦1的张力增大，振动频率增高。混频器输出两振弦振动频率之差频信号，其频率随着作用力的增大而增高。图中两根振弦应相互垂直，这样可以使作用力不垂直时所产生的测量误差减小。因为侧向作用力在压力膜片四周所产生的应力近似是均匀的，上、下两根振弦所受的张力是相同的，根据差动工作原理，它们所产生的频率变化被互相抵消。因此，传感器对于侧向作用是不敏感的。在图10－35的基础上，还可利用高强度厚壁空心钢管作受力元件，把3根、6根或更多根振弦均等分布置于管壁的钻孔中，用特殊的夹紧机构把振弦张紧固定，构成多弦式力传感器。图10－36所示为振弦式流体压力传感器c振弦的材料为钨丝，其一端垂直固定在受压板上，另一端固定在支架上。当流体进人传感器后，受压板发生微小的挠曲。改变振弦的内应力，使其频率降低。为保证温度变化时的稳定性，对传感器机械结构的线膨胀系数进行了选择，使其在弦长方向的综合膨胀系数与振弦的膨胀系数大至相等2．振筒式频率传感器振筒式压力传感器的基本结构如图10－37所示。振筒是传感器的敏